電動力學-17狹義相對論

狹義相對論第六章Specialrelativity電動力學2005世界物理年

紀念愛因斯坦狹義相對論誕生100周年與愛因斯坦逝世50周年。讓物理走近大眾，讓世界擁抱物理主要內(nèi)容：

A.愛因斯坦——20世紀最偉大的物理學家。1879年3月14日生于德國烏耳姆，1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學。1905年，愛因斯坦在科學史上創(chuàng)造了史無前例的奇跡——

建立了狹義相對論，推動了整個物理學理論的革命。1955年4月19日在美國逝世。

相對論的基本原理洛倫茲變換

相對論的四維形式

相對論的時空理論

相對論力學

相對論的實驗基礎(chǔ)

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相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內(nèi)容。這使人們想起英國詩人波譜歌頌牛頓的詩句:

自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中，上帝說：“讓牛頓去吧，”于是一切都成為光明。后人續(xù)寫道:上帝說完多少年之后，魔鬼說：“讓愛因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。機動目錄上頁下頁返回結(jié)束

1905年，除去博士論文外，愛因斯坦連續(xù)發(fā)表了4篇重要論文，其中任何一篇，都夠得上拿諾貝爾獎。3月，發(fā)表了解釋光電效應的論文，提出光子說；5月，發(fā)表關(guān)于布朗運動的論文，間接證明了分子的存在；6月，發(fā)表“論運動媒質(zhì)的電動力學”的論文，提出了狹義相對論；9月發(fā)表了有關(guān)質(zhì)能關(guān)系式的論文，指出能量等于質(zhì)量乘光速的平方E=mc2

。狹義相對論的重點與難點本章難點：1、同時的相對性、時鐘延緩效應的相對性；2、相對論四維形式的理解；3、電動力學相對論不變性的導出過程。*

本章重點：

1、深刻理解經(jīng)典時空理論和邁克爾遜實驗；

2、熟記狹義相對論基本原理、洛侖茲變換；

3、理解同時的相對性和尺縮、鐘慢效應，能夠熟練利用洛侖茲速度變換解決具體問題；

4、了解相對論四維形式和四維協(xié)變量；

5、掌握相對論力學的基本理論并解決實際問題。機動目錄上頁下頁返回結(jié)束§1歷史背景及重要實驗基礎(chǔ)《引言》牛頓力學麥克斯韋電磁場理論熱力學與經(jīng)典統(tǒng)計理論?19世紀后期，經(jīng)典物理學的三大理論體系使經(jīng)典物理學已趨于成熟。兩朵烏云：?邁克耳遜——莫雷“以太漂移”實驗?

黑體輻射實驗?近代物理不是對經(jīng)典理論的簡單否定?近代物理不是經(jīng)典理論的補充，而是全新的理論狹義相對論量子力學?近代物理學的兩大支柱，逐步建立了新的物理理論。機動目錄上頁下頁返回結(jié)束正變換——

在兩個慣性系中分析描述同一物理事件(event)一、伽利略變換OZXYO'Z'(X')Y'vP(x,y,z)?在t＝t時刻，物體運動到P點

在t＝0時刻，物體在O點,系重合機動目錄上頁下頁返回結(jié)束Z關(guān)于長度和時間的測量?在每個慣性系放一個時鐘和一把尺子，鐘和尺與參照系無關(guān)，與內(nèi)部結(jié)構(gòu)無關(guān)，與運動無關(guān)。

運動長度的測量：在同一時間去測量物體的兩端。t1=t2l=x2-x1XOY(x1t1)(x2t2)Y'vX'機動目錄上頁下頁返回結(jié)束逆變換

伽利略坐標變換式

伽利略速度變換式

伽利略加速度變換式

牛頓定律不變性結(jié)論：在一切慣性系中，經(jīng)典力學中的時空是絕對的——絕對時空觀?時間是絕對的?空間是絕對的?時空相互分離機動目錄上頁下頁返回結(jié)束二力學相對性原理(GalileanPrincipleofRelativity)⑵一切慣性系都是等價的，不存在特殊的慣性系。(1)在一切相對作勻速運動慣性系中牛頓力學定律具有相同形式；不能在一個參照系內(nèi)部做實驗來確定該參照系相對另一系的速度。三經(jīng)典時空理論的局限性1、光速可變并與光源運動相關(guān)XOYY'vX'O’在系光速各向同性系光速各向異性

光沿系Y軸傳播的速度

光沿系X軸傳播的速度擊前瞬間擊后瞬間先出球，后擊球

----先后顛倒舉一例：光速與光源運動速度相關(guān)出現(xiàn)的矛盾光傳到乙的時間：光傳到乙的時間：2、麥氏方程不滿足伽氏變換

機動目錄上頁下頁返回結(jié)束3、伽氏變換下麥氏方程等可變性的三種看法

麥克斯韋方程不正確

伽利略變換不適合高速運動

電磁運動不服從相對性原理4、“以太”概念及絕對參照系

“以太”究竟為何物？（1）充滿宇宙，透明而密度很小（電磁彌散空間，無孔不入）；（2）具有高彈性。電磁波一般為橫波，以太應是一種固體（G是切變模量，ρ是介質(zhì)密度）；（3）它只在牛頓絕對時空中靜止不動，即在特殊參照系中靜止。光借助“以太”媒質(zhì)傳播，相對靜止的“以太”，光的傳播速度各向同性，均為C。機動目錄上頁下頁返回結(jié)束

伽利略變換

相對性原理

麥克斯韋方程三邁克耳遜——

莫雷實驗假定相對性原理不成立，麥克斯韋方程的形式僅在以太中成立。因此在地球上可以設(shè)計實驗來驗證地球相對“以太”的速度。反過來可以通過實驗尋找“以太”靜止的絕對參考系。假定在“以太”中光速各項同性且恒等于C，而在其它參考系光速各項異性。假定太陽與以太固連，地球相對于以太的速度就應當是地球繞太陽的運動速度。對光線（1）：地球系以太風機動目錄上頁下頁返回結(jié)束對光線（2）設(shè)光程差光程差與條紋移動關(guān)系儀器轉(zhuǎn)動引起干涉條紋的移動：機動目錄上頁下頁返回結(jié)束1、地球相對以太靜止論

地球為絕對參照系，光速在地球上恒為C且各向同性。這樣顯然光程差為零，在地球上實驗條紋不移動。但此解釋必然得出地球是宇宙中心的結(jié)論，同時太陽光在地球周圍各向同性，但太陽相對地球運動，仍不符合經(jīng)典速度合成。邁克耳遜——莫雷實驗的零結(jié)果，說明了“以太”本身不存在。該實驗被認為是狹義相對論的主要實驗支柱之一。1881年邁克耳遜第一次實驗，預期1887年邁克耳遜和莫雷改進實驗，預期實驗結(jié)果邁克耳遜干涉儀精度可觀測到0.01個條紋的移動。1907年邁克耳遜因創(chuàng)制精密光學儀器而獲得諾貝爾物理學獎四對實驗結(jié)果的幾種解釋

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恒星光行差現(xiàn)象（1727年發(fā)現(xiàn)）：觀察恒星光線的視方向與“真實”方向之間有一夾角，這說明若以太存在，將不能被地球拖動。若被拖動則地球上將看不到光行差現(xiàn)象。地球上觀察天體的方向，應是地球相對恒星的運動速度與光速合成的方向。理論計算：對太陽光的實驗觀測：2、拖曳理論

地球不是絕對參照系。但由于以太很輕，地球在以太中運動可以拖動以太一起運動。但這種說法與光行差現(xiàn)象矛盾。機動目錄上頁下頁返回結(jié)束

靜止光源光速為C，運動光源光速改變，且各向同性。這樣在地球上用靜止光源做實驗，條紋當然不移動。麥氏方程在地球上精確成立，但在以太中形式不同。仍認為以太存在，這樣陽光在地球上不為C。3、發(fā)射理論機動目錄上頁下頁返回結(jié)束

這一說法與雙星實驗相矛盾。若光速與光源運動有關(guān)，則在1處光速相對地球為C+v，2處光速相對地球為C－v。在同一時刻觀看B星不應是一亮點。B星不同時刻發(fā)出的光在同一時刻到達地球，拍攝照片應是一條很短的亮線。但實驗結(jié)果均為亮點，說明光速與光源運動無關(guān)。1924年用日光做邁氏實驗，仍然無移動，證明雙星實驗正確。地球12假定認為沿相對以太運動方向上物體長度收縮為則在地球上觀測，光沿M